完全由可再生能源供电的船舶性能研究外文翻译资料

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完全由可再生能源供电的船舶性能研究

Eirik Boslash;ckmann，Sverre Steen，Dag Myrhaug

海洋技术部门挪威科技大学特隆赫姆挪威

一、摘要：

一艘船舶所需的能量来自风、海浪和太阳。船采用五翼帆和一个在船头，另一个在船尾的两个弹簧波箔。此外,甲板上覆盖着太阳能电池板，为船舶供电。风速根据波散射表计算，通过从两个分量峰值俞聿修波谱和假设，无限的获取和充分开发海洋能源。翼帆和波浪箔力使用动态失速模型计算，并实现在时域船舶模拟器。船的速度估计路线，包括蓬塔德尔加达，亚速尔群岛-丰沙尔，马德拉，往返所有四个季节。预期航速约6节，和STA标准偏差约5海里。

二、简介：

随着全球变暖问题的日益严重，航运人员必须承担减少温室气体排放的责任。船舶业目前占全球二氧化碳排放量的3.3%。然而,如果全球温度到2100年相比工业化前水平稳定在不超过2摄氏度的提升，航运排放量一如预期,航运将占全球总量的12%和18%之间，二氧化碳排放在2050年将需要达到稳定，往下(到2100年)的成功概率为50%。

很明显，如果要削减温室气体排放的话，我们必须采取激进措施。一个自然的解决方案是要回到船上。在工业革命之前，方钻井平台统治世界海洋。在最佳的风力条件下，这些船舶通常航行在18节的速度，没有比如今的货船慢太多。例如卡蒂萨克号船记录的最大速度为17.5节，而它的24小时平均速度记录为15节[ 2 ]。随着航行技术的现代进展，特别是翼帆的出现，似乎很明显，现代风为动力的货船将会超过卡蒂萨克号。

波浪动力船早在1858 就被提出，存在于在19世纪90年代。波浪动力船是使用箔的船中最简单和最普通的类型，在这里表示波箔，是将箔和水之间的相对运动转化为推进力。尽管波浪动力船的历史长河中，这个概念还没有被投入到更大的船只使用。然而最近的一项研究在七个方面表明，燃料节省的巨大潜力是的船舶大致，典型的海浪在波浪丰富的地区。奇怪的是，第二次IMO温室气体研究2009 年对波箔具有“[hellip;]有高技术的复杂性，限制了潜在的能源效率并被视为没有前途的”。

2012年，31米长的卡蒂萨克号船成为只使用太阳能发电推进环航世界的第一艘船。它也是世界上最大的太阳能供电船。完全由太阳能供电的船需要一艘大面积覆盖着太阳能电池板和一个非常低的电阻的船体，就像卡蒂萨克号船的案例一样。然而对于一个更传统的船，对于更常规的船，但是，太阳能发电只能提供用于推进的必要功率的一小部分，例如200米长的千瓦（215马力）由太阳能电池板覆盖的甲板上的160米长的汽车载体。

在本文中，我们研究船舶利用风能与翼帆，波浪能与波浪箔，太阳能与太阳能电池板的性能。选择的路线是蓬塔德尔加达，亚速尔群岛丰沙尔，马德拉，往返，见图1。选择这条路线的主要原因是自由的风和波浪统计可从 www. Global wave statistics online.com这个网站查找，对路线是有用的。此外，这条路线有很好的风力，波浪和太阳条件，使它成为一个纯粹由可再生能源供电的船舶的理想选择路线。为简单起见，我们假设船走直线，完全从东南蓬塔德尔加达丰沙尔，虽然现实曲线沿马德拉海岸最后的平价路线最后一部分。反之，这艘船被假定为完全从丰沙尔到西北方向的旅行蓬塔德尔加达。

从vesim MARINTEK船舶模拟器实现了翼帆和波箔”活动，解决了时域运动方程。在vesim的更多信息，参见[ 7 ]和[ 10 ]。

图1 从蓬塔德尔加达去丰沙尔的路线。

三、船

1、设计规范

该船是一个60Cb= 0.6船体系列。船的长度如此选择是因为船会适合翼帆，船的长度被选择，以便该船将适用于波箔，即线性的短于典型的海浪。该船的主要详情见表1。船上设有五个翼帆和两个波箔：一个稍微领先的弓，和其他船尾船尾。船舶的一个例子，显示的翼帆和波箔的位置，在图2中给出了。

图2 船舶，展示翼帆和波箔的位置

表1 船舶的主要细节

2、翼帆力

具有NACA0015五个翼帆配置安装在船的甲板上，用自己的四分之一弦9.42米，25.26米，41.04米，56.88米和72.77米，在船尾垂直，如图2所示。根弦的长度为6米，叶尖弦长度是4米。船尾4翼帆的根是在基线以上8.66米，而前翼帆根是在基线以上13.73米。所有翼帆都是基线以上33.41米。由于翼帆和船甲板之间的差距是小于0.06的机翼帆高度，它是公平的假设，诱导阻力是一个椭圆形机翼半，跨度等于翼帆高度[11]。

翼帆被分为10大跨度的一条。采用略加修改的贝多斯利什曼动态失速模型计算。在每个翼帆带弦向和法向力[ 12 ]，如[ 13 ]所描述。这个模型是基于使用静态升力和阻力系数，对每个翼帆剥离，并通过分析和半经验公式得到的动态力。在审查写作的时候，动态失速模型在附录中描述了这篇论文。由于在[ 13 ]中提到的困难与计算的前缘涡的影响非常低的速度，领先的边缘分离是不包括在目前的动态失速模型，既不为翼帆力，也不为波箔力。翼帆之间的气动干扰在这种分析中忽略不计。如Miyasaka等。[ 14 ]表明，一组三翼帆的平均推力可以超过推力翼帆在接近和广泛的条件下的推力。然而在航行测风时[ 14 ]发现，每翼帆的平均推力略低于一翼帆的推力，如Miyasaka等。因此看来，似乎忽视空气动力学翼帆相互作用是一个合理的简化。

为了考虑有限的跨度对机翼的升力和阻力的影响，以下过程应用于：

1. 每个机翼带的正常和弦力量，Nstrip和Cstrip，使用的是动态失速模型计算，请参见附录。
2. 每个翼片升力和阻力，Lstrip和Dstrip，使用当地的F计算，这是动态效果的攻击会计的角度，在[ 12 ]中解释。

（1）

（2）

3、一个有限翼展的解除效果的因素Lstrip乘以，其中是高宽比，当波方向相对的航向是0和180。此表达式为一个大的方面，在失速下的一个大的方面是一个椭圆形的循环分布的电梯是有效的。然而，如果船舶有显着的滚动运动，对于翼帆和波浪箔，循环分布将是远离椭圆形。目前，当船航向相对于航向为90时，电梯的校正系数为1，和线性插值的1和的其他角度。我们相信，忽略了有限翼展效应完全显著的扑翼运动载体的应用更准确比Delau方法[ 15 ]，如果它是一个椭圆形的平面形状的机翼部分，其中每一条翼被假定作为同这条带，相同的纵横比，执行简单的谐波的机翼运动。

4、大的长宽比的椭圆扁翼的诱导阻力系数，在攻角下的角度虽然诱导阻力是一个涉及机翼作为一个整体的数量，我们计算每一条的贡献总的诱导阻力为底；cds，是空气密度，V是流入速度，c是弦长度和直扩是条带宽度。诱导阻力被加到每个带材的轮廓阻力。诱导阻力是由是在梁海头和以下海，并线性插值1和0之间的其他波方向相对于船舶航向。

（3）

5、所有条带的升力和阻力，现在帐户的有限跨度的影响，并转换回正常和弦明智的力量：

（4）

（5）

6、最后，在正常的力作用下，将正常的附加质量力加入到正常的力，并总结出带状的力量。

虽然这些表达式的升力和阻力是严格只适用于大长宽比的椭圆形机翼，它们是相当公平的申请也为适度锥形翼[ 16 ]的纵横比大于4 [ 17 ]。使用这些表达式电梯，当机翼失速是诱导阻力是比较值得怀疑，但仍然是选择，在缺乏替代品。

翼帆角度被设定成使得在稳定条件下攻角是14时的表观风角度（AWA）为1和98之间，并线性增长从45至90时AWA增大为98〜180。当AWA增加从0到1，翼帆角度被设定成使得攻角线性增加从0到14。对称程序适用负AWAS。

3、波浪箔力

该船配有两个弹簧波箔，还具有NACA 0015轮廓。每波箔分为两半，有梯形平台，它可以互相独立地旋转。每一半的内端部的长度为3米，外顶杆的长度为2米，而每一个波形箔的半跨是7米。前面的波箔的四分之一的和弦是位于2.21米领先的前垂直，而船尾波箔的四分之一的和弦位于5.65米后的船尾垂直。波箔局部低于基线3米。

与翼帆实现的动态失速模型和有限的跨修正用于波箔。波箔是弹簧加载的，具有恒定的弹簧刚度。

对于弹簧式箔的力矩平衡，见图3，是由

（6）

图3 一个弹簧箔力矩平衡。

给出的Nf是由于循环和后缘分离正常的力，一个是在Nf到四分之一和弦的距离（当四分之一和弦后面的Nf点，Xp是和弦），Xp是前缘的距离为支点，Nam是正常的附加质量力，C是弦长，Fs是弹簧力，Xs是从前缘到四分之一的距离贴在铝箔上，是铝箔的角度。弹簧力被给定为：

（7）

其中，Ks是弹簧刚度。因此，发现如：

（8）

XP = 0:15c用于我们的模拟。

如果没有指定的话，俯仰力矩通常指的是四分之一弦的时刻，当它的作用是在向上的方向的时候，它是正的。对称翼面的空气动力中心是接近四分之一和弦为附着流，但作为分离点从朝向前缘后缘行进将移动船尾。

一个给定的

（9）

在这里，M是关于四分之一和弦的俯仰力矩。俯仰时刻被发现通过进入一个查找表的矩系数与攻角，如alpha;f。

附加质量力在箔带是一个具有相同长度的平板作为箔条[ 19 ]弦长，绕位于前缘的Xp船尾点：

（10）

其中是海水的质量密度，U是箔片的水平速度，是箔片的垂向加速度（箔向下移动时是积极的），和分别表示的一次和二次导数。在方程10中的括号最后两方面可能导致数值问题时，只是通过在从值在当前时间步骤中的前一时间步长中减去的值和通过时间步除以计算的，并因此在VENSIM弹簧加载波箔的实施忽略。执行迭代过程以获得正确的和NAM，由于和NAM是彼此的功能。

结果发现弹簧刚度Ks=200000 N/m，Xs-Xp=2m给予了极高的船速。但是如果箔的角度变得过大，会出现数值错误。在不规则波，可能有一些非常高的巨浪导致箔角度过大。因此，弹簧的刚度提高到300,000N时波显著高，Hs为34米，450,0

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